De mogelijkheid om supergeleiding in en uit te schakelen met een letterlijke schakelaar in zogenaamd "magic-angle twisted grafeen" heeft de ingenieurs van Caltech in staat gesteld een ongewoon fenomeen waar te nemen dat nieuw licht kan werpen op supergeleiding in het algemeen.

Het onderzoek, geleid door Stevan Nadj-Perge, universitair docent toegepaste natuurkunde en materiaalkunde, werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature op 15 juni.

Magische hoek gedraaid grafeen, voor het eerst ontdekt in 2018, is gemaakt van twee of drie vellen grafeen (een vorm van koolstof bestaande uit een enkele laag atomen in een honingraatachtig roosterpatroon) die op elkaar zijn gelaagd, waarbij elk vel op een precies 1,05 graden ten opzichte van die eronder. De resulterende dubbellaag of drielaagse laag heeft ongebruikelijke elektronische eigenschappen:er kan bijvoorbeeld een isolator of een supergeleider van worden gemaakt, afhankelijk van het aantal elektronen dat wordt toegevoegd.

Supergeleiders zijn materialen die een eigenaardige elektronische toestand vertonen waarin elektronen vrij door de materialen kunnen stromen zonder weerstand - wat betekent dat er elektriciteit doorheen stroomt zonder enig verlies van energie voor warmte. Een dergelijke hyperefficiënte transmissie van elektriciteit heeft eindeloze potentiële toepassingen op het gebied van computers, elektronica en elders.

Het nadeel van supergeleiding is echter dat het in de meeste materialen plaatsvindt bij extreem lage temperaturen, meestal slechts enkele graden boven het absolute nulpunt (−273.15 graden Celsius). Bij dergelijke temperaturen vormen elektronen paren die zich fundamenteel anders gedragen dan individuele elektronen en condenseren tot een kwantummechanische toestand waardoor elektronenparen kunnen stromen zonder te worden verstrooid.

Supergeleiding werd meer dan een eeuw geleden voor het eerst ontdekt, maar wetenschappers begrijpen voor sommige materialen nog steeds niet volledig de precieze mechanismen achter de vorming van elektronenparen. In conventionele supergeleiders, zoals metaalaluminium, is het algemeen bekend dat de aantrekkingskracht tussen elektronen die leidt tot de vorming van elektronenparen te wijten is aan de interactie van de elektronen met het kristalrooster van het materiaal. Het gedrag van deze materialen wordt beschreven met behulp van de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-theorie, genoemd naar John Bardeen, Leon Cooper en John Robert Schrieffer, die in 1972 de Nobelprijs voor de natuurkunde ontvingen voor de ontwikkeling van de theorie.

Tijdens het bestuderen van onder een magische hoek gedraaide drielagen van grafeen, ontdekten Nadj-Perge en zijn collega's dat supergeleiding in dit materiaal verschillende zeer ongebruikelijke eigenschappen vertoont die niet kunnen worden beschreven met behulp van de BSC-theorie, waardoor het waarschijnlijk ook een onconventionele supergeleider is.

Ze maten de evolutie van de zogenaamde supergeleidende kloof wanneer de elektronen uit de drielaagse laag worden verwijderd met een schakelaar om een ​​elektrisch veld aan of uit te zetten. De supergeleidende kloof is een eigenschap die beschrijft hoe moeilijk het is om individuele elektronen in een supergeleider toe te voegen of te verwijderen. Omdat elektronen in een supergeleider gepaard willen worden, is er een bepaalde hoeveelheid energie nodig om die paren te verbreken. De hoeveelheid energie kan echter verschillen voor paren die in verschillende richtingen bewegen ten opzichte van het kristalrooster. Als gevolg hiervan heeft de "gap" een specifieke vorm die wordt bepaald door de kans dat paren worden verbroken door een bepaalde hoeveelheid energie.

"Hoewel supergeleiders al heel lang bestaan, is een opmerkelijk nieuwe functie in gedraaide grafeendubbellagen en drielagen dat supergeleiding in deze materialen eenvoudig kan worden ingeschakeld door het aanbrengen van een spanning op een nabijgelegen elektrode", zegt Nadj-Perge, corresponderend auteur van de Natuur papier. "Een elektrisch veld voegt effectief extra elektronen toe of verwijdert ze. Het werkt op een vergelijkbare manier als de stroom wordt geregeld in conventionele transistors, en dit stelde ons in staat om supergeleiding te onderzoeken op manieren die bij andere materialen niet mogelijk zijn."

Het team stelde vast dat in gedraaide drielagen twee supergeleidingsregimes met verschillend gevormde supergeleidende spleetprofielen aanwezig zijn. Terwijl een van de regimes misschien kan worden verklaard met een theorie die enigszins vergelijkbaar is met BCS, laat de aanwezigheid van twee regimes zien dat binnen de supergeleidende fase waarschijnlijk een extra transitie zal plaatsvinden. Deze waarneming, naast metingen bij verschillende temperaturen en magnetische velden, wijst op het onconventionele karakter van supergeleiding in de drielagen.

De nieuwe inzichten van het team van Nadj-Perge geven essentiële aanwijzingen voor de toekomstige theorieën over supergeleiding in gedraaide meerlagen van grafeen. Nadj-Perge merkt op dat het lijkt alsof meer lagen supergeleiding robuuster maken en toch zeer afstembaar blijven, een eigenschap die verschillende mogelijkheden opent om gedraaide drielagen te gebruiken voor supergeleidende apparaten die ooit in de kwantumwetenschap en misschien de verwerking van kwantuminformatie zullen worden gebruikt.

"Naast de fundamentele implicaties voor ons begrip van supergeleiding, is het opmerkelijk dat het toevoegen van een extra grafeenlaag het bestuderen van supergeleidende eigenschappen gemakkelijker maakte. Dit heeft uiteindelijk onze bevindingen mogelijk gemaakt", zegt Nadj-Perge.

Het artikel is getiteld "Bewijs van onconventionele supergeleiding in gedraaid drielaags grafeen." + Verder verkennen

Speciaal georiënteerd gedraaid dubbellaags grafeen herbergt topologische elektronische toestanden